Việc tìm kiếm một hạt hạ nguyên tử (hạt cấu thành nguyên tử) giả định sẽ là tín hiệu mới mẻ giúp thu hẹp con đường nghiên cứu của vật lý học - nhờ vào ánh sáng xoáy xung quanh một lỗ đen khổng lồ trong một thiên hà khác.
Hạt nhẹ - được gọi là axion - đã được đề xuất như một lời giải cho bí ẩn tại sao vũ trụ có quá ít phản vật chất và là ứng cử viên cho vật chất tối khó nắm bắt lấp đầy vũ trụ. Các vùng xung quanh xoắn và hỗn loạn của lỗ đen trung tâm của thiên hà M87 cũng được cho là đã mã hóa thông tin về các hạt như vậy.
Theo một báo cáo trên tạp chí Nature Astronomy ngày 17/3, các nhà nghiên cứu đã cho biết chi tiết cụ thể về cách định hướng ánh sáng xung quanh lỗ đen M87 có thể loại trừ khả năng xuất hiện các hạt axion trong một phạm vi khối lượng cụ thể.
Các đường vạch dấu sự phân cực hay định hướng của sóng ánh sáng phát ra từ khu vực xung quanh lỗ đen siêu lớn trong thiên hà M87.
Nghiên cứu này cũng cho thấy rằng các nhà khoa học có thể sử dụng một phương pháp tương tự trong các quan sát vật lý thiên văn sắp tới để tìm kiếm các hạt này với khối lượng đa dạng.
Nhà vật lý Benjamin Safdi của Đại học California, Berkeley chia sẻ: “Đó là một ý tưởng rất thú vị. Họ đã đưa ra một phương pháp mới và họ đã chứng minh rằng phương pháp này về nguyên tắc có thể hoạt động”.
Lần đầu tiên được đề xuất vào cuối những năm 1970, axion vẫn chưa được tìm thấy trong các thí nghiệm. Công trình lý thuyết kể từ đề xuất ban đầu đó đã chỉ ra rằng có thể tồn tại một họ trục mở rộng, mỗi loại có khối lượng khác nhau nhưng tất cả đều tương tác yếu với vật chất thông thường. Vào năm 2020, nhà vật lý Yifan Chen của Học viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh và các đồng nghiệp đã mô tả một cách tìm kiếm các trục bằng cách sử dụng quan sát ánh sáng xung quanh các lỗ đen.
Theo lý thuyết, một lỗ đen quay nhanh có thể tạo thành một đám dày đặc các hạt axion ở khu vực xung quanh ngay lập tức. Chính xác loại trục nào được hình thành phụ thuộc vào chiều rộng của lỗ đen. Và lỗ đen siêu lớn ở M87 có kích thước phù hợp để nấu một món hầm chứa các hạt siêu nhẹ giống như sợi trục. Nếu lỗ đen này thực sự tạo ra một đám mây như vậy, thì điều đó sẽ làm thay đổi hướng, hay sự phân cực, của ánh sáng đến từ vùng đó. Đặc biệt, sự phân cực sẽ bị lung lay theo thời gian.
Thật không may, không ai có bất kỳ hình ảnh nào về ánh sáng phân cực từ một lỗ đen để kiểm tra - cho đến năm ngoái. Đó là khi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, hay EHT, một mạng lưới kính thiên văn vô tuyến trải dài khắp Trái đất, tiết lộ hình ảnh của ánh sáng phân cực xung quanh lỗ đen siêu lớn ở tâm M87 (SN: 3/24/21).
Nhà vật lý hạt Yue Zhao của Đại học Utah ở Thành phố Salt Lake cho biết: “Đây chính xác là thông tin mà chúng ta cần để thực hiện đề xuất lý thuyết này. Chúng tôi có một điều kiện rất khắc nghiệt có thể tạo ra một lượng lớn các trục, và chúng tôi có công cụ phù hợp để nghiên cứu dấu hiệu của các trục”.
Vì vậy, Zhao, Chen và các đồng nghiệp đã kiểm tra dữ liệu EHT để tìm sự thay đổi theo thời gian theo hướng của sự phân cực. Trong khi một đám mây axion sẽ thay đổi hướng, thì vùng hoạt động và hỗn loạn xung quanh lỗ đen cũng vậy. Zhao nói: "Đây là một loại nền tảng không thể tránh khỏi mà chúng ta phải đối phó. Sau khi loại bỏ tín hiệu đó khỏi tổng số tín hiệu, họ nhận thấy rằng không có đủ sự dao động bổ sung để nói rằng bất kỳ tín hiệu nào có thể đến từ đám mây axion". Họ loại trừ sự tồn tại của các trục siêu nhẹ với khối lượng khoảng 10 phần tỷ của một phần tỷ khối lượng của một electron.
Nhưng kỹ thuật tương tự cũng có thể được sử dụng để săn tìm các hạt giống trục khác. Zhao nói: “Bạn có lỗ đen lớn hơn thì khối lượng của bạn càng nhẹ. Các nhà vật lý hy vọng sẽ sử dụng các quan sát trong tương lai của EHT về các lỗ đen khác để tìm kiếm các trục có khối lượng khác nhau. Zhao lưu ý rằng một lỗ đen trên radar của EHT là khổng lồ ở trung tâm thiên hà của chúng ta, có khối lượng bằng một phần nghìn khối lượng của M87 ( SN: 6/5/19 ). Nếu lỗ đen quái vật của thiên hà chúng ta có một đám mây axion, thì đó sẽ là những hạt nặng hơn".
Safdi nói: “Ý tưởng tìm kiếm những hạt giống trục này, theo tôi, là điều thú vị nhất đang xảy ra trong vật lý hạt vào lúc này".